（电机与电器专业论文）高功率密度电驱动系统低谐波电源技术研究.pdf

abs t r a c t h i g h p o w e r - d e n s i t y e l e c t r ic - d r i v e s y s t e m u s e d i n w i n d t u n n e l p r o p e l l e r m o d e l i s r e s e a r c h e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n w i t h t h e b a c k g r o u n d o f t h e k e y t e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t o f r e b u i l d i n g i t e m s . t h e s y s t e m i s c o m p o s e d o f f o u r p a rt s , h ig h p o w e r - d e n s i t y m o t o r , l o w h a r m o n i c v a r i a b l e - f r e q u e n c y p o w e r , s p r a y o i l c o o l in g w i t h h ig h t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e a n d t h e o n l i n e t e s t o f t h e d y n a m i c p a r a m e t e r s . t h e r e s e a r c h i n t h i s t h e s i s i s f o c u s e d o n t h e l o w h a r m o n i c v a r i a b l e - fr e q u e n c y p o w e r f o r t h e s y s t e m m e e t i n g t h e n e e d s o f w i n d t u n n e l p r o p e l l e r m o d e l t e s t in g r e q u i r e m e n t s . t h e e f f e c t s o f h a r m o n i c o n h i g h p o w e r - d e n s i t y a s y n c h r o n o u s m a c h i n e s a r e a n a l y z e d , s p e c i a l l y t h e c a l c u l a t i o n m e t h o d s o f h a r m o n i c l o s s . t h e s p wm w i t h l o w h a r m o n i c i s d e s i g n e d a i m in g a t t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f c a l o r if i c s e v e r i t y a n d h i g h r a t e d p o w e r - i n p u t o f m o t o r i n t h e s y s t e m , t o s a t i s f y t h e s p e c i a l q u a l i f i c a t i o n o f v a r i a b l e - f r e q u e n c y p o w e r . a i m i n g a t t h e r o t a t e s p e e d re g u l a t i n g r e q u e s t s o f p r o p e l l e r t h e h i g h e f f i c i e n c y c o n t r o l s t r a t e g y i s r e s e a r c h e d to i n c r e a s e t h e p o w e r d e n s i t y o f mot o r - t h e n t h e a r m a t u r e c u r r e n t m e t h o d i s i n v e s t i g a t e d , w h i c h i s p ro p o s e d b y n o - l o a d a n d f u l l - l o a d t e s t s t o c a l c u l a t e th e e f f i c i e n c y a n d p o w e r f a c t o r o f t h e m o t o r , b e i n g e x t e n d e d t o t h e r a r e - e a rt h p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s m a c h i n e s . t h e p r o p o s e d m e t h o d h a s b e e n e x p e r i m e n t a l l y t e s t e d , w h i c h i s f o u n d t o w o r k a s t h e o r e t i c a l e x p e c t a t i o n a n d u s e d t o o i l f i e l d s s a v i n g e n e r g y . f i n a l l y t h e r ip p l e o f t o r q u e s i s s i m u l a t e d b y m a t l a b . t h r o u g h m o d e l i n g v a r i a b l e - f r e q u e n c y p o w e r , t h e m e t h o d o f s p e c i f i e d h a r m o n i c - r e s t r a i n e d i s s i m u l a t e d t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e h a r m o n i c c o n t e n t i s r e d u c e d a n d t h e p o w e r d e n s i t y is i n c r e a s e d . k e y w o r d s : v a r i a b l e - f r e h i g h p o w e r - d e n s i t y、 a s y n c h r o n o u s m a c h i n e、 l o w h a r m o n i c q u e n c y p o w e r , s i m u l a t i o n 第 1 章 绪论 第 1 章 绪论 本章主要介绍高功率密度电驱动系统中低谐波变频电 源的研究意义、发展 与应用前景、低谐波变频电源的分类以 及设计。简单叙述了本文所做的主要研 究工作，并概述了本课题的难点、关键技术以及取得的成果。 1 . 1超高功率电驱动系统发展前景 1 . 1 . 1课题研究背景 高功率密度电驱动系统由:高功率密度驱动电机、低谐波变频电源、油冷 却系统和电动机的动态参数测试装置四大部分组成，广泛应用于国防军事和民 用工业领域。随着国防和军民工业技术的快速发展，普通功率密度的电驱动系 统已 越来越难以满足要求，必须发展更高功率密度的电驱动系统，为发展各种 先进军用设备和工业系统奠定基础。 国防科工委提出的关于螺旋桨飞机模型风洞试验大功率电 驱动系统的技术 需 求 后 ， 以 研 究 适 合 高 功 率 密 度电 驱 动系 统( 电 机 功 率 密 度 大 于1 .8 k w / k g ) 、 配 套的低谐波电源技术及螺旋桨负载高效变频调速成为研究的课题。 目 前，由于受到电机技术、控制理论、材料等诸多因素的制约，电驱动系 统的功率密度的发展潜力受到极大的制约，这种电驱动技术远不能适应当今各 种电驱动设备的发展需求，尤其是在各种尖端技术领域。 例如在航空领域，多电飞机和全电飞机是未来飞机的重要发展方向。多电 飞机和全电飞机在欧美等国家和地区己经开始研制，其中的关键技术之一就是 用电力作动器取代目 前广泛应用的液压作动器，而这种取代的基本条件是电力 作动器的功率密度能否达到液压作动器的功率密度的水平，目 前的普通航空用 电驱动系统和此要求还有相当距离。 同时系统供电电源的品质是整个系统的关键。目前，市场上国内外的著名 的变频电 源品牌中，国外产品在性能和可靠性上都具有一定的 优势， 特别是在 中压和高压变频产品上几乎处于垄断的地位，而国内的大部分产品与其相比不 仅性能上略逊一筹，而且在可靠性上差距较大，但价格上具有很大的优势。市 场上的这些通用变频电源的谐波含量虽然能够满足一般要求，但是本系统中异 步电机的功率密度高达1 .8 k w / k g ， 其发热是非常严重的，电 机额定运行时， 若 第 1 章 绪论 第 1 章 绪论 本章主要介绍高功率密度电驱动系统中低谐波变频电 源的研究意义、发展 与应用前景、低谐波变频电源的分类以 及设计。简单叙述了本文所做的主要研 究工作，并概述了本课题的难点、关键技术以及取得的成果。 1 . 1超高功率电驱动系统发展前景 1 . 1 . 1课题研究背景 高功率密度电驱动系统由:高功率密度驱动电机、低谐波变频电源、油冷 却系统和电动机的动态参数测试装置四大部分组成，广泛应用于国防军事和民 用工业领域。随着国防和军民工业技术的快速发展，普通功率密度的电驱动系 统已 越来越难以满足要求，必须发展更高功率密度的电驱动系统，为发展各种 先进军用设备和工业系统奠定基础。 国防科工委提出的关于螺旋桨飞机模型风洞试验大功率电 驱动系统的技术 需 求 后 ， 以 研 究 适 合 高 功 率 密 度电 驱 动系 统( 电 机 功 率 密 度 大 于1 .8 k w / k g ) 、 配 套的低谐波电源技术及螺旋桨负载高效变频调速成为研究的课题。 目 前，由于受到电机技术、控制理论、材料等诸多因素的制约，电驱动系 统的功率密度的发展潜力受到极大的制约，这种电驱动技术远不能适应当今各 种电驱动设备的发展需求，尤其是在各种尖端技术领域。 例如在航空领域，多电飞机和全电飞机是未来飞机的重要发展方向。多电 飞机和全电飞机在欧美等国家和地区己经开始研制，其中的关键技术之一就是 用电力作动器取代目 前广泛应用的液压作动器，而这种取代的基本条件是电力 作动器的功率密度能否达到液压作动器的功率密度的水平，目 前的普通航空用 电驱动系统和此要求还有相当距离。 同时系统供电电源的品质是整个系统的关键。目前，市场上国内外的著名 的变频电 源品牌中，国外产品在性能和可靠性上都具有一定的 优势， 特别是在 中压和高压变频产品上几乎处于垄断的地位，而国内的大部分产品与其相比不 仅性能上略逊一筹，而且在可靠性上差距较大，但价格上具有很大的优势。市 场上的这些通用变频电源的谐波含量虽然能够满足一般要求，但是本系统中异 步电机的功率密度高达1 .8 k w / k g ， 其发热是非常严重的，电 机额定运行时， 若 第 1 章 绪论 没有冷却措施，能在一分钟之内 把电 机烧到 2 0 0 c ，而谐波增加电机损耗，使 得电 机的发热更加严重，因此本系统对变频电 源的谐波含量要求严格。 高功率密度电驱动系统的 研究，旨 在将电 机、控制和电力电子技术融为一 体，研究开发各种超高功率密度的航空电驱动系统技术w 低谐波电源的研究，旨 在解决国内螺旋桨飞机模型风洞试验大功率电驱动 系统中变频电源的技术需求，解决螺旋桨及带动力试验所需的大功率直接电 驱 动系统中高性能的电动机变频调速装置中的低谐波电源的需求，逐步做到与航 空发达国家的技术同步，提高我国 航空电驱动系统技术水平，开发具有国际先 进水平的螺旋桨飞机模型风洞试验大功率电驱动系统。 1 . 1 . 2课题研究主要内容及其意义 本系统的高功率密度是指驱动电 机的功率密度值，国内 现有的电 驱动系统 采 用的电 动 机的 功 率密 度 不 超过0 .8 3 3 k w / k g ， 美国a b l e 公 司 生 产的电 机功 率 密度虽可达 1 .7 5 k w / k g ， 但都不能 满足螺旋桨飞机模型风洞试验对电 驱动系统 的要求。 本文研究的主要内 容是分析高功率密度电 驱动系统中 谐波对异步电机的影 响，通过对变频电 源的谐波分析，提出了消除高次谐波的方法，以减少高功率 密度电 机发热，利用指定谐波抑制技术削弱电 源中的高次谐波并对提出的方法 进行了仿真。引入了 异步电 机的圆图分析方法，旨 在分析异步电机带动飞机模 型螺旋桨变频调速时， 怎样实现低速及额定运行时的电 机控制， 最后对高功率密 度电驱动系统进行了测试。 首先，由于系统电源的输出含有丰富的谐波，增加了电机的损耗，引起电 机 发 热， 同 时 谐 波 产生 很 大的d v / d t ， 对电 机的 绝 缘 有 很 大的 影 响， 输出 的 共 模 电 压易形成轴电 压与轴电 流， 造成轴承的点蚀， 缩短电 机的寿命， 这对于高功 率密度的电驱动系统执行机构的危害是十分严重的。 目 前， 对电驱动系统谐波污染的治理已 成为电工技术界所必须解决的问题。 谐波研究的意义，更可以 上升为治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。 对电 驱动系统这个环境来说，无谐波是 “ 绿色”的主要标志之一，而在电力电 子技术领域，要求实施 “ 绿色电力电子”的呼声也日益高涨。 研究开发高功率密度的航空电驱动系统技术，首先可以满足螺旋桨飞机模 第 1 章 绪论 没有冷却措施，能在一分钟之内 把电 机烧到 2 0 0 c ，而谐波增加电机损耗，使 得电 机的发热更加严重，因此本系统对变频电 源的谐波含量要求严格。 高功率密度电驱动系统的 研究，旨 在将电 机、控制和电力电子技术融为一 体，研究开发各种超高功率密度的航空电驱动系统技术w 低谐波电源的研究，旨 在解决国内螺旋桨飞机模型风洞试验大功率电驱动 系统中变频电源的技术需求，解决螺旋桨及带动力试验所需的大功率直接电 驱 动系统中高性能的电动机变频调速装置中的低谐波电源的需求，逐步做到与航 空发达国家的技术同步，提高我国 航空电驱动系统技术水平，开发具有国际先 进水平的螺旋桨飞机模型风洞试验大功率电驱动系统。 1 . 1 . 2课题研究主要内容及其意义 本系统的高功率密度是指驱动电 机的功率密度值，国内 现有的电 驱动系统 采 用的电 动 机的 功 率密 度 不 超过0 .8 3 3 k w / k g ， 美国a b l e 公 司 生 产的电 机功 率 密度虽可达 1 .7 5 k w / k g ， 但都不能 满足螺旋桨飞机模型风洞试验对电 驱动系统 的要求。 本文研究的主要内 容是分析高功率密度电 驱动系统中 谐波对异步电机的影 响，通过对变频电 源的谐波分析，提出了消除高次谐波的方法，以减少高功率 密度电 机发热，利用指定谐波抑制技术削弱电 源中的高次谐波并对提出的方法 进行了仿真。引入了 异步电 机的圆图分析方法，旨 在分析异步电机带动飞机模 型螺旋桨变频调速时， 怎样实现低速及额定运行时的电 机控制， 最后对高功率密 度电驱动系统进行了测试。 首先，由于系统电源的输出含有丰富的谐波，增加了电机的损耗，引起电 机 发 热， 同 时 谐 波 产生 很 大的d v / d t ， 对电 机的 绝 缘 有 很 大的 影 响， 输出 的 共 模 电 压易形成轴电 压与轴电 流， 造成轴承的点蚀， 缩短电 机的寿命， 这对于高功 率密度的电驱动系统执行机构的危害是十分严重的。 目 前， 对电驱动系统谐波污染的治理已 成为电工技术界所必须解决的问题。 谐波研究的意义，更可以 上升为治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。 对电 驱动系统这个环境来说，无谐波是 “ 绿色”的主要标志之一，而在电力电 子技术领域，要求实施 “ 绿色电力电子”的呼声也日益高涨。 研究开发高功率密度的航空电驱动系统技术，首先可以满足螺旋桨飞机模 第 1 章 绪论 型进行风洞试验时对驱动系统的要求，更长远的看，可以加快我们国家在这一 领域的发展，逐步做到与航空发达国家 ( 特别是美国) 技术同步、提高我国军 事工业领域电驱动系统技术水平，为各种新型武器如飞机、军舰等的研制与发 展所需的高功率密度电驱动系统作技术储备。 除了 在风洞试验中 使用外，高功率密度电驱动系统还将会在更多特殊场合 得到广泛的应用，因此本项目的研究为发展各种先进军用设备和工业系统奠定 了基础。 高功率电驱动系统的广泛使用，可以降低能源的损耗，同时，也会减少对 环境的污染。地球上的能源日 益稀少，开发、应用高功率密度电驱动系统具有 很重要的现实意义。 1 . 2低谐波变频电源研究的技术路线 系统的主要技术指标如下: 1 .工作方式:间歇式 2 .额定功率:3 8 k w 3 .额定频率:4 0 0 h z 4 .功率 密 度:大 于1 .8 k w / k g 5 .驱动方式:v v v f 变频电源 6 .电 源谐波含量: 1 .5 本课题对低谐波变频电源的技术要求如下: 表1 一1低谐波电 源系统要求 电 源 电压、频率 三相3 8 0 v 1 1 5 %，电 压失衡率 3 输 出 额定输出电压 0 输入电 压 ( 可选恒电 压控制) 输出频率范围 0 - 4 0 0 h z , 2 5 -4 0 0 h z 之间随意设定 控 制 功 能 控制方式 全数字线电 压正弦波s p wm控制 起动频率 0 - 2 5 h z 可任意设定 压频比 2 5. 4 0 0 h z 之间随意设定， 第 1 章 绪论 型进行风洞试验时对驱动系统的要求，更长远的看，可以加快我们国家在这一 领域的发展，逐步做到与航空发达国家 ( 特别是美国) 技术同步、提高我国军 事工业领域电驱动系统技术水平，为各种新型武器如飞机、军舰等的研制与发 展所需的高功率密度电驱动系统作技术储备。 除了 在风洞试验中 使用外，高功率密度电驱动系统还将会在更多特殊场合 得到广泛的应用，因此本项目的研究为发展各种先进军用设备和工业系统奠定 了基础。 高功率电驱动系统的广泛使用，可以降低能源的损耗，同时，也会减少对 环境的污染。地球上的能源日 益稀少，开发、应用高功率密度电驱动系统具有 很重要的现实意义。 1 . 2低谐波变频电源研究的技术路线 系统的主要技术指标如下: 1 .工作方式:间歇式 2 .额定功率:3 8 k w 3 .额定频率:4 0 0 h z 4 .功率 密 度:大 于1 .8 k w / k g 5 .驱动方式:v v v f 变频电源 6 .电 源谐波含量: 1 .5 本课题对低谐波变频电源的技术要求如下: 表1 一1低谐波电 源系统要求 电 源 电压、频率 三相3 8 0 v 1 1 5 %，电 压失衡率 1 5 0 0 0 效率7 5 %-8 0 %8 5 %-9 2 %9 0 % -9 5 %8 5 %-9 3 % 易操作性最好好好好 可靠性差好一般好 结构的坚固性差好一般好 尺寸及质量大，重一般，好小，轻小，轻 成本高低高 低于感应电 机 控制器成本低高高 一般 本 课 题要 求电 机 功率 密 度高 于l 8 k w / k g ， 转 速达到8 0 0 0 r / m in ， 因 此从 表2 -1 可知，交流感应电 机驱动系统是适合本课题的。 2 . 2分系统内容研究 2 .2 . 1高功率密度电机的研究及设计 1 )电机类型研究 高功率密度电驱动系统中电动机的研究和传统电机类似，主要包括以下几 个方面的研究:电 动机的种类、额定电 压、额定转速以 及额定功率等。系统对 高功率密度电 动机的主要技术要求已 经确定， 本节研究了各种交流电 机的 特点， 研究了 适合高功率密度电驱动系统总体要求的电动机。 交流感应电机驱动系统中的驱动电机又分为感应电动机和同步电动机两 种。 同 步电 动机的 转速与 频 率 严格 成正比 ， 可以 采 用 变 频 调 速( 通 常 是u l f 二 常数， 即所谓的恒磁通调速) ， 适用范围很广， 采用同步电动机可以 实现同直流 电动机相似的机械特性， 可以四象限运行。 但是由于使用了滑环结构，结构还 是比 较复杂的，并且这种结构并不适合于超高速运行。因此同步电 动机不适合 第2 章 高功率密度电驱动系统 表2 -1各种电驱动系统性能比 较 项 目直流电机交流感应电机永磁无刷电机开关磁阻电机 功率密度差好好一般 力矩转速性能一般好好好 转速范围 ( r / m i n ) 4 0 0 0 -6 0 0 09 0 0 0 - x 1 5 0 0 0 4 0 0 0 - 1 0 0 0 0 1 5 0 0 0 效率7 5 %-8 0 %8 5 %-9 2 %9 0 % -9 5 %8 5 %-9 3 % 易操作性最好好好好 可靠性差好一般好 结构的坚固性差好一般好 尺寸及质量大，重一般，好小，轻小，轻 成本高低高 低于感应电 机 控制器成本低高高 一般 本 课 题要 求电 机 功率 密 度高 于l 8 k w / k g ， 转 速达到8 0 0 0 r / m in ， 因 此从 表2 -1 可知，交流感应电 机驱动系统是适合本课题的。 2 . 2分系统内容研究 2 .2 . 1高功率密度电机的研究及设计 1 )电机类型研究 高功率密度电驱动系统中电动机的研究和传统电机类似，主要包括以下几 个方面的研究:电 动机的种类、额定电 压、额定转速以 及额定功率等。系统对 高功率密度电 动机的主要技术要求已 经确定， 本节研究了各种交流电 机的 特点， 研究了 适合高功率密度电驱动系统总体要求的电动机。 交流感应电机驱动系统中的驱动电机又分为感应电动机和同步电动机两 种。 同 步电 动机的 转速与 频 率 严格 成正比 ， 可以 采 用 变 频 调 速( 通 常 是u l f 二 常数， 即所谓的恒磁通调速) ， 适用范围很广， 采用同步电动机可以 实现同直流 电动机相似的机械特性， 可以四象限运行。 但是由于使用了滑环结构，结构还 是比 较复杂的，并且这种结构并不适合于超高速运行。因此同步电 动机不适合 第 2 章 高功率密度电驱动系统 本项目 所研究的高功率密度电 驱动系统。 异步电动机 ( 也称感应电动机) ， 特别是鼠笼型异步电动机， 结构简单， 无 滑环结构，可以实现与直流电 动机、同 步电 动机类似的调速特性，并且可以实 现高速运行。 本课题中的高功率密度电动机转速高达8 0 0 0 r / m i n ， 应该选择结构简单， 适 应高 速运行的电机。综合比 较，可以得到这样的结论:鼠笼型异步 ( 感应)电 动机可以满足高功率密度电驱动系统。因此本项目 中，高功率密度电 动机最后 选择鼠笼型异步电动机，其电动机结构如图2 -2 所示: 且 一 气r- 2一 3一 4 图2 - 2高功率密度电动机结构图 1 一内壳体;2 一内壳体油路;3 -螺旋轴; 4 - 螺旋轴油路 2 )鼠 笼型异步电动机额定容量研究 电 动机额定容量是一个很重要的数据。鼠 笼型异步电动机的容量不仅关系 着能不能满足风洞试验的 要求， 还直接影响电 动机功率密度， 其两者之间存在 相当密切的关系。 在螺旋桨飞机模型风洞试验中，由 于受到风洞安装条件的限制，对电动机 的外形尺寸要求非常严格( 尤其是直径) ， 本项目 所研究高功率密度电 动机， 直 径仅为4) 1 2 0 m m 。 在风洞试验中，电 动机的负载是螺旋桨，当 风洞内 环境风速 一定，则电动机的转矩和转速的平方成正比。如果设计的电动机的 额定容量过 大，在限定的外形尺寸下，电动机的功率密度将会很高;当整个系统经常处于 轻载运行，电 动机本身的容量得不到充分的发挥，同时电 动机运行效率低、性 能变坏( 异步电动机的功率因数也降低了) ， 因此高功率密度的特点也得不到体 第z 章 高功率密度电驱动系统 现;而如果这样的电动机工作于额定状态，则电 机的发热将会很严重，这会给 冷却系统造成很大的压力，解决的办法只能增大电 机的外形尺寸，这显然不符 合系统对电机的 要求。反过来，如果电 动机额定功率比 较小，电 动机的功率密 度就比较低，额定运行时电流超过额定电流，电 机内损耗加大，影响电机的寿 命，即使过载不多，电动机的寿命也会减少较多;过载较多，会破坏电 机绝缘 材料的绝缘性能，甚至烧毁。当然，电 动机额定功率太小， 可能根本就拖动不 了负载，会使电 动机长时间处于起动状态而过热毁坏。 根据系统的技术要求，本课题研究的电驱动系统的功率密度高，因此电动 机必须采用有效的冷却结构，以增加电 动机的功率密度;同时，高功率密度电 动机的转速非常高，这就要求电动机的结构强度必须满足高速运行，所以结构 设计 ( 冷却结构) 是难点之一。电动机额定输入频率高达 4 0 0 h z ，这会使电 动 机的铁损耗增加，从而使电机的温升增大，电动机的功率密度高这一特点还影 响高功率密度电 动机的主要电磁参数的选取，目 前高功率密度电动机电磁参数 的选择还没有足够的资料可以参考，因此电 磁参数的选择也是一个难点。 根据飞机模型各种运行状态，电动机的额定功率3 8 k w就可以满足系统的 要 求， 在 外形 尺寸 为4) 1 2 0 x 4 5 0 m m时， 其 功 率密 度可以 达到1 .8 k w / k g ，电 动 机对冷却系统的压力也就不会太大，因此最为适合。 2 .2 . 2低谐波变频电 源的研究和设计 在高功率密度电 驱动系统中 采用了高功率密度鼠 笼型感应电 动机。 这是因 为鼠笼型异步电动机，结构简单，运行可靠，维护方便，在各行各业得到广泛 的应用。 1 )高功率密度电驱动系统调速方案研究 高功率密度异步电 动机的转速公式如下1 6 . 。 一 。 (1 一 s ) = 6 0 f (1 一 : )( 2 一1 ) 式中: n 。 一同步速; 一 转 差 率; f 一电 源频率; 第z 章 高功率密度电驱动系统 现;而如果这样的电动机工作于额定状态，则电 机的发热将会很严重，这会给 冷却系统造成很大的压力，解决的办法只能增大电 机的外形尺寸，这显然不符 合系统对电机的 要求。反过来，如果电 动机额定功率比 较小，电 动机的功率密 度就比较低，额定运行时电流超过额定电流，电 机内损耗加大，影响电机的寿 命，即使过载不多，电动机的寿命也会减少较多;过载较多，会破坏电 机绝缘 材料的绝缘性能，甚至烧毁。当然，电 动机额定功率太小， 可能根本就拖动不 了负载，会使电 动机长时间处于起动状态而过热毁坏。 根据系统的技术要求，本课题研究的电驱动系统的功率密度高，因此电动 机必须采用有效的冷却结构，以增加电 动机的功率密度;同时，高功率密度电 动机的转速非常高，这就要求电动机的结构强度必须满足高速运行，所以结构 设计 ( 冷却结构) 是难点之一。电动机额定输入频率高达 4 0 0 h z ，这会使电 动 机的铁损耗增加，从而使电机的温升增大，电动机的功率密度高这一特点还影 响高功率密度电 动机的主要电磁参数的选取，目 前高功率密度电动机电磁参数 的选择还没有足够的资料可以参考，因此电 磁参数的选择也是一个难点。 根据飞机模型各种运行状态，电动机的额定功率3 8 k w就可以满足系统的 要 求， 在 外形 尺寸 为4) 1 2 0 x 4 5 0 m m时， 其 功 率密 度可以 达到1 .8 k w / k g ，电 动 机对冷却系统的压力也就不会太大，因此最为适合。 2 .2 . 2低谐波变频电 源的研究和设计 在高功率密度电 驱动系统中 采用了高功率密度鼠 笼型感应电 动机。 这是因 为鼠笼型异步电动机，结构简单，运行可靠，维护方便，在各行各业得到广泛 的应用。 1 )高功率密度电驱动系统调速方案研究 高功率密度异步电 动机的转速公式如下1 6 . 。 一 。 (1 一 s ) = 6 0 f (1 一 : )( 2 一1 ) 式中: n 。 一同步速; 一 转 差 率; f 一电 源频率; 第2 章 高功率密度电驱动系统 p 一极对数。 由式2 -1 可知，对于高功率密度电驱动系统有以下几种调速方案: a )调节转差率调速; b )变极调速; c )变频调速. 异步电 动机的转差率非常小，不能在较宽范围内 进行调速，本项目 中的高 功率密度电动机为鼠笼型电 机，不能实现变极，所以前两种方案都不适合于本 项目。本项日 只能采用变频调速。 2 )高功率密度变频调速方案 对于高 功 率密 度异 步电 动 机， 当 转 差率 非 常小时， 近 似的 有:n 二 f l ， 调 节电机的输入频率可以达到整个系统调速的目 的。 变频调速由以下几种可用的方案: a 、 保 持电 压与 频 率的比 值恒 定:u , / f , a c o n s t o b 、 保 持 定 子 磁 链7p 7 恒 定:e , l f ， 二 c o n s t ; c 、保 证 气隙 磁 链7114 恒定:e a t 了二 c o n s t ; d 、 保持 转 子磁 链,p 2 恒定:e s l f , = c o n s t 。 当 调节f 。 时 如 果电 压 不变，由 u : 一 e ， 二 4 .4 4 f ,1 v j c. ,h 可知:电 机的 气隙 磁 密会发 生变化， 如 果频率f ， 下 调， 可能 因为 磁饱和而使磁化电 流急 剧增 大， 因 此，在调节频率f : 的同时，伴随的也调节电机的输入电压u ， ，并使 u ./ f ， 二 。 o n s t - e , / f , - 4 .4 4 n j c. .(d， 这 样 可以 近 似 的 使 气隙 磁 通 保 持 不 变。 对于本项目 研究的高 功率密度电驱动系统， 采用第一个方案 ( 即保持电 压 与频率的比 值恒定) 对高功率密度电 动机进行调压调频，以 达到调速的目 的。 在风洞试验中，电驱动系统的负载是螺旋桨，其负载转距和电 动机的转速的平 方 成正比 ， 刃 即 和 变频电 源的 频率的 平 方 成 正比 ， 此时的 采用的u 了 f 特 性为 二次方指数曲线。在风洞试验中，由于要不断调整桨叶的角度，不同角度时， 其负载转矩并不一定和转速的平方成正比，有的不足二次，有的超过二次，所 第2 章 高功率密度电 驱动系统 以 选择第一种方案可以提高风洞试验效率，增加功率密度。 低谐波变频电源为高功率密度变频电机提供接近理想的变压/ 变频正弦交 流电。一般的变频电源提供的输出都包含高次谐波，但高功率密度电驱动系统 要求其谐波含量要尽量少。 正弦脉宽调制 ( s p wm) 变频方法既变频又调压， 减少了 功率传输能量变 换的级数，从而使输出波形高次谐波含量少，功率因数高，因此获得了 广泛的 应用，本系统采用这种方法进行供电。 小结 本节主要研究了高功率密 度电驱动系统的组成，比 较了各种电 驱动系统的 优缺点， 研究了 适合本课题要求的交流高功率密度电 驱动系统， 之后研究了 本 系统的两个关键组成部分:驱动电机和低谐波变频电源。 第2 章 高功率密度电 驱动系统 以 选择第一种方案可以提高风洞试验效率，增加功率密度。 低谐波变频电源为高功率密度变频电机提供接近理想的变压/ 变频正弦交 流电。一般的变频电源提供的输出都包含高次谐波，但高功率密度电驱动系统 要求其谐波含量要尽量少。 正弦脉宽调制 ( s p wm) 变频方法既变频又调压， 减少了 功率传输能量变 换的级数，从而使输出波形高次谐波含量少，功率因数高，因此获得了 广泛的 应用，本系统采用这种方法进行供电。 小结 本节主要研究了高功率密 度电驱动系统的组成，比 较了各种电 驱动系统的 优缺点， 研究了 适合本课题要求的交流高功率密度电 驱动系统， 之后研究了 本 系统的两个关键组成部分:驱动电机和低谐波变频电源。 第3 章 高功率密度电驱动系统中谐波的影响 第3 章 高功率密度电驱动系统中谐波的影响 低谐波变频电源为高功率密度电机提供接近理想的变压/ 变频正弦交流电， 因其输出包含高次谐波， 使得异步电 机在非正弦电压和非正弦电流下运行， 电 机 的损耗增加， 额定功率下降， 效率降低。 高次谐波电流还使得电机电磁转矩产生 脉动，在一定的频率和负载条件下，转矩脉动可能导致系统失去稳定性。 对高功率密度异步电 机在变频供电 下性能的 研究是高功率密度电 驱动系统 中的一项重要问 题， 本章研究并计算了这些高次谐波对异步电机的性能带来的影 响。 3 . 1高功率密度电驱动系统中的谐波分析 低谐波变频电源中的逆变部分作为一种典型的电力电子装置， 虽然具有体积 小， 重量轻， 控制性能好等优点， 但逆变电 源的输入电 流中 含有谐波， 使电 机中 含有大量高次谐波。 高次电 压、 电 流谐波之间存在严重相移， 导致功率因 数很低， 实际上由 于输入电 流波形严重畸变，使电 机中 含有大量高次谐波。 三相正弦电压方程可以表示为: 拒 乙 s in 恤+ a ) , 2 u s i n 恤+ a 十 1 2 0 ) , a l s in 恤* a 十 2 4 0 ) ( 3 一 1 ) =吕- 几卜了廿、人“、 几广.扭且t 式中: u一电 压有效值; a一初相角; 。一角频率。 正弦电压施加在线性无源电阻、电感和电容上， 其电流和电压分别为比 例、 积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。 但当正弦电 压施加在非线性电 路上时， 电 流就变成为非正弦波， 非正弦电 流在电网阻抗上产生压降， 会使电 压波形也变 成为非正弦波。 当然， 非正弦电压施加在线性电 路上时，电 流也是非正弦波。 对 于 周 期 为 t 一 坷。 的 非 正 弦 电 压 . s , (t ) ， 一 般 满 足 狄 里 赫 利 条 件 ， 每 一 相 电 压 可分解为如下形式的傅立叶级数: 第3 章 高功率密度电驱动系统中谐波的影响 第3 章 高功率密度电驱动系统中谐波的影响 低谐波变频电源为高功率密度电机提供接近理想的变压/ 变频正弦交流电， 因其输出包含高次谐波， 使得异步电 机在非正弦电压和非正弦电流下运行， 电 机 的损耗增加， 额定功率下降， 效率降低。 高次谐波电流还使得电机电磁转矩产生 脉动，在一定的频率和负载条件下，转矩脉动可能导致系统失去稳定性。 对高功率密度异步电 机在变频供电 下性能的 研究是高功率密度电 驱动系统 中的一项重要问 题， 本章研究并计算了这些高次谐波对异步电机的性能带来的影 响。 3 . 1高功率密度电驱动系统中的谐波分析 低谐波变频电源中的逆变部分作为一种典型的电力电子装置， 虽然具有体积 小， 重量轻， 控制性能好等优点， 但逆变电 源的输入电 流中 含有谐波， 使电 机中 含有大量高次谐波。 高次电 压、 电 流谐波之间存在严重相移， 导致功率因 数很低， 实际上由 于输入电 流波形严重畸变，使电 机中 含有大量高次谐波。 三相正弦电压方程可以表示为: 拒 乙 s in 恤+ a ) , 2 u s i n 恤+ a 十 1 2 0 ) , a l s in 恤* a 十 2 4 0 ) ( 3 一 1 ) =吕- 几卜了廿、人“、 几广.扭且t 式中: u一电 压有效值; a一初相角; 。一角频率。 正弦电压施加在线性无源电阻、电感和电容上， 其电流和电压分别为比 例、 积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。 但当正弦电 压施加在非线性电 路上时， 电 流就变成为非正弦波， 非正弦电 流在电网阻抗上产生压降， 会使电 压波形也变 成为非正弦波。 当然， 非正弦电压施加在线性电 路上时，电 流也是非正弦波。 对 于 周 期 为 t 一 坷。 的 非 正 弦 电 压 . s , (t ) ， 一 般 满 足 狄 里 赫 利 条 件 ， 每 一 相 电 压 可分解为如下形式的傅立叶级数: 第3 章 高功率密度电驱动系统中谐波的影响 u ( t ) 二5 : ( a h c o s n co t + 6 n s i n n co t ) ( 3 一2 ) 其中: a= 从 二 1 _2nj u (t)co sn m td (cot) 1 u (tsin n cutd (cet)n 在上 式的傅立叶极 数中， 频 率为1 / t 的分量 称为 基波， 频率大于1 整数倍 基 波频率的分量称为谐波， 谐波次数为谐波频率和基本频率的整数比。 以上公式及 定 义 均 以 非 正 弦 电 压 为 例 ， 对 于 非 正 弦 电 流 的 情 况 也 完 全 适 用 ， 把 式 中 “ 、 ， 恤) 转 成t o h a 恤) 即 可。 1 . n 次 谐波电 压含有率以h r 玩 ( h a r m o n i c r a t i o“ 。) 表示: _ _ _ _ _u_ hru。一= x 1 ix) j t o ) u , ( 3 -3 ) 式中: u 。 一 第n 次谐波电 压有效 值 ( 均 方根值) u 。 一 基 本电 压有 效 值 2 . 谐波电 压含 量u 定 义 为: u ， _ _ -w 一 。 一 v 夕 一 ” 3 .电 压谐波畸变率，t h d ( t o t a l h a r m o n i c d i s t o rt i o n )定义为: ( 3 一4 ) _ _ _ _u., _ _ _ ， _、 l 月刀 .一x 1 认洲 %户 u , ( 3 -5 ) 上述是高功率密度电 驱动系统中衡量谐波品质的方法， 可以 看出谐波是一个 周期电 气量中频率大于1 整数倍基波频率的正弦波分量。 由于谐波频率高于基波 频率， 有人把谐波称为高次谐波， 本文中正是分析这些高次正弦分量对异步电机 的转矩、损耗等的影响。 第3 章 高功 率密 度电 驱动系统中 谐 波的 影响 谐波次数n 必须是大于1 的正整数。n 为非整数时的正弦波不能称为谐波。 当n 为非正整数时的正弦波分量出现时， 被分析的电气量己不是周期为t的电气 量了。 但在某型场合下， 供电系统中却存在一些频率不是整数倍基波频率的分数 次波， 但这些分数次波产生的原因、危害及抑制方法和谐波很相似，因此可用研 究谐波相似的方法分析它们。 3 . 2谐波对转矩的影响 当高功率密度异步电 机的定子电 压和电流都是标准的正弦波， 不含谐波成分 时， 异步电机可以运转平稳。 但变频电 源对电 机供电时， 由于变频电源输出电流 中 含有谐波成分，异步电 机会产生附加转矩2 4 异步电机电磁转矩公式如下: t - 生_ 9, m , 4 .4 4 几 n , k w , o m , 2 c o s 9 2 2 1; up c r 九 2 c o s 92 2 ( 3 -6 ) 上 式 表 明 电 磁 转 矩 的 大 小 与 主 磁 通 九 及 转 子 电 流 的 有 功 分 量 叮 c o s q72 有 关 ， 如果电源输出的是理想正弦波，由于其频率稳定， 又没有其它频率的谐波， 从而 只会产生单一方向的转矩， 但是如果电 源的输出中 存在高次谐波， 那么情况就会 发生变化，各次谐波都会与气隙磁场作用产生不同方向、大小的转矩。 从载流导体在磁场中 受力的 观点来看， 高功率密度电 驱动系统中的谐波分量 直接与电源谐波有关，谐波电 流会产生异步，同步以 及脉动谐波转矩。 1 ) 异步谐波转矩:k 次谐波电流的基波空间磁势与转子中k 次谐波磁势的 感应电流相互作用的电磁转矩。 异步附加转矩将使电 机的总电磁转矩曲线略有减小， 而且在各谐波的同步速 附近出现下凹，会给异步电机的起动造成困难。 2 ) 同步谐波转矩:这种同 步谐波转矩叠加在基波磁